Question

19．我國是個鋼鐵大國，鋼鐵產(chǎn)量為世界第一，高爐煉鐵是最為普遍的煉鐵方法．
I．已知反應Fe₂O₃（s）+CO（g）?Fe（s）+CO₂（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，該反應在1000℃的平衡常數(shù)等于4．在一個容積為10L的密閉容器中，1000℃時加入Fe、Fe₂O₃、CO、CO₂各1.0mol，應經(jīng)過l0min后達到平衡．
（1）CO的平衡轉(zhuǎn)化率=60%
（2）欲提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，促進Fe₂O₃的轉(zhuǎn)化，可采取的措施是d．
a．提高反應溫度
b．增大反應體系的壓強
c．選取合適的催化劑
d．及時吸收或移出部分CO₂
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸
Ⅱ．高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣中的CO可進行回收，使其在一定條件下和H₂反應制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．請根據(jù)圖示回答下列問題：

（3）從反應開始到平衡，用H₂濃度變化表示平均反應速率v（H₂）=0.15mol/（L•min）．
（4）已知氫氣的燃燒熱286kJ/mol，請寫出甲醇氣體不充分燃燒的熱化學方程式CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol．
（5）若在溫度和容器相同的三個密閉容器中，按不同方式投入反應物，測得反應達到平衡吋的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器	反應物投入的量	反應物的 轉(zhuǎn)化率	CH3OH的濃度	能量變化 （Q1、Q2、Q3均大于0）
甲	1mol CO和2mol H2	α1	c1	放出Q1kJ熱量
乙	1mol CH3OH	α2	c2	吸收Q2kJ熱量
丙	2mol CO和4mol H2	α3	c3	放出Q3kJ熱量

則下列關(guān)系正確的是ADE
A．c₁=c₂B.2Q₁=Q₃C.2α₁=α₃D．α₁+α₂=1E．該反應若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量
Ⅲ．以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖．回答下列問題：

（6）B極上的電極反應式為CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O．
（7）若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，當兩極收集到的氣體體積相等時，理論上消耗的甲烷的體積為1.12L（標況下）．

Answer 1

分析 I．（1）令平衡時CO的物質(zhì)的量變化為nmol，表示出平衡時CO、CO₂的物質(zhì)的量，化學計量數(shù)都是1，利用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)計算n的值，進而計算CO的濃度變化量，再利用轉(zhuǎn)化率定義計算CO的轉(zhuǎn)化率；
（2）a．該反應正反應是放熱反應，提高反應溫度，平衡向逆反應移動；
b．反應前后氣體的物質(zhì)的量不變，減小容器的容積，增大壓強平衡不移動；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應移動；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，平衡不移動；
Ⅱ（3）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化學計量數(shù)之比計算v（H₂）；
（4）氫氣的燃燒熱為286kJ/mol，則：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由圖可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡時各組分的濃度相等；
B．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應方向移動，丙中反應物的轉(zhuǎn)化率大于甲；
C．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應方向移動，轉(zhuǎn)化率增大，但2α₁不一定等于α₃ ；
D．CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為α₂，乙中平衡時CO的物質(zhì)的量為α₂mol，甲與乙是完全等效平衡，平衡時對應各組分的含量完全相同；
E．令平衡時CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應熱△H=-QkJ/mol，則Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂；
Ⅲ（6）B為負極，總反應式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減可得負極電極反應式；
（7）開始階段發(fā)生反應：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算消耗的甲烷．

解答 解：I（1）令平衡時CO的物質(zhì)的量變化為nmol，則：
        $\frac{1}{3}$Fe₂O₃（s）+CO（g）?$\frac{2}{3}$Fe（s）+CO₂（g）
開始（mol）：1                1
變化（mol）：n                n
平衡（mol）：1-n              n+1
所以 $\frac{n+1}{1-n}$=4，解得n=0.6，則CO的平衡轉(zhuǎn)化率為 $\frac{0.6mol}{1mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
（2）a．該反應正反應是放熱反應，提高反應溫度，平衡向逆反應移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，故a錯誤；
b．反應前后氣體的物質(zhì)的量不變，減小容器的容積，增大壓強平衡不移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率不變，故b錯誤；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動，故c錯誤；
d．移出部分CO₂，平衡向正反應移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，故d正確；
e．粉碎礦石，使其與平衡混合氣體充分接觸，可以加快反應速率，但平衡不移動，故e錯誤；
故答案為：d；
Ⅱ（3）由圖可知，達到平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，則v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學計量數(shù)之比，v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.15mol/（L•min），
故答案為：0.15mol/（L•min）；
（4）氫氣的燃燒熱為286kJ/mol，則：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ/mol ①，
由圖可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol ②，
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g），
則甲醇氣體不充分燃燒的熱化學方程式：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（g）+O₂（g）=2H₂O（l）+CO（g）△H=-481kJ/mol；
（5）A．甲、乙是完全等效平衡，平衡時各組分的濃度相等，所以平衡時甲醇的濃度c₁=c₂，故A正確；
B．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應方向移動，丙中反應物的轉(zhuǎn)化率大于甲，丙中參加反應的CO大于甲中的2倍，故2Q₁＜Q₃，故B錯誤；
C．丙與甲相比，等效為在甲平衡的基礎(chǔ)上再加入1mol CO和2mol H₂，壓強增大，平衡向正反應方向移動，丙中反應物的轉(zhuǎn)化率大于甲，但2α₁不一定等于α₃ ，故C錯誤；
D．甲與乙是完全等效平衡，平衡時對應各組分的含量完全相同，CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為α₂，乙中平衡時CO的物質(zhì)的量為α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故D正確；
E．令平衡時CO的物質(zhì)的量為nmol，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的反應熱△H=-QkJ/mol，則Q₁=（1-n）Q、Q₂=nQ，整理得Q=Q₁+Q₂，故1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量，故E正確，
故答案為：ADE；
Ⅲ（6）總反應式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減，負極反應為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
（7）硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×1mol/L=0.1mol，開始階段發(fā)生反應：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12L．

點評 本題綜合考查了化學平衡計算、等效平衡等，Ⅱ中等效平衡的計算，為該題的難點，也是易錯點，注意理解等效平衡問題，題目整體計算量很大，思維量大，難度較大．